LED结温计算.doc
LED结温热阻计算方法详解
LED结温热阻计算方法详解.Ta: 环境温度Rsa：铝基散热装置的热阻、散热器与环境间的热阻Ts: 散热装置的温度. Rms：铝基板到铝散热装置的热阻Tm: 铝基板的温度. Rcm：引脚到铝基板的热阻Tc: 引脚的温度. Rjc：PN结到引脚的热阻、结壳间的热阻Rja：PN结点到环境的热阻 Tj：晶体管的结温、芯片PN结最大能承受之温度( 100-130℃)P表示功耗 Rcs表示晶体管外壳与散热器间的热阻，L50: LED光源亮度降至50%的寿命L70: LED光源亮度降至70%的寿命结温计算的过程：1.热阻与温度、功耗之间的关系为： Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)=Tj-P*Rja，2.当功率晶体管的散热片足够大而且接触足够良好时，壳温Tc=Ta晶体管外壳与环境间的热阻Rca=Rcs+Rsa=0。
此时Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)演化成公式Ta=Tc=Tj-P*Rjc。
厂家规格书一般会给出，最大允许功耗Pcm、Rjc及(或) Rja等参数。
一般Pcm 是指在Tc=25℃或Ta=25℃时的最大允许功耗。
当使用温度大于25℃时，会有一个降额指标。
3.以ON公司的为例三级管2N5551举个实例：1)2N5551规格书中给出壳温Tc=25℃时的最大允许功耗是1.5W，Rjc是83.3度/W。
2)代入公式Tc=Tj- P*Rjc有：25=Tj-1.5*83.3可以从中推出最大允许结温Tj为150度。
一般芯片最大允许结温是确定的。
所以，2N5551的允许壳温与允许功耗之间的关系为：Tc=150-P*83.3。
3)比如，假设管子的功耗为1W，那么，允许的壳温Tc=150-1*83.3=66.7度。
4)注意，此管子Tc =25℃时的最大允许功耗是1.5W，如果壳温高于25℃,功率就要降额使用。
规格书中给出的降额为12mW/度(0.012W/度）。
5)我们可以用公式来验证这个结论。
假设壳温为Tc，那么，功率降额为0.012*(Tc-25)。
LED结温测算方法
LED结温测算⽅法⽬录第⼀章电压法测量结温第⼀节电压法测算结温的理论依据第⼆节K系数的测量1. 测量K系数的原理2. 关于K系数的说明3. 测试电流⼤⼩对K系数的影响4. K系数测量⽅法5. 数据处理6. 关于器件⼚商提供K值的建议7. K系数测量误差问题第三节利⽤K系数测算结温第⼆章热阻法测算结温第⼀节热阻法测算结温的基本原理第⼆节热阻法测结温的问题1. 为什么要⽤热阻法测结温2. 热阻参考点的选择3. 器件传热状况的影响4. 温度的影响5. 热阻法测结温参考点的正确选择第三章其它测结温⽅法简介前⾔关于 PN 结温度的测量，以往在半导体器件应⽤端测算结温的⼤多是采⽤热阻法，但这种⽅法对LED 器件是有局限性的，并且以往很多情况下被错误地应⽤。
应⽤热阻法的错误之处，以及其局限性，本⼈已在⽂献【1】中有详细阐述。
本⼈认为应该摒弃热阻法。
现在出现了不少新的测结温的⽅法，但其中⼀些⽅法也许并不能很好地反映结温。
⽐如红外成像法，理论上讲这只是测量器件表⾯或芯⽚表⾯的温度，不可能测量到实际 PN 结处的温度。
光谱法则只是个别专业测试机构能够进⾏，仪器昂贵，不适于器件使⽤者⽇常⼯作。
实际上，⽆论从专业测量，还是业余测量，最简便易⾏、最准确的、最基础的，还是电压法测算结温。
热阻法其实是在电压法基础上衍⽣⽽来的。
由于现在测量显⽰精度达 1mV 的仪表很便宜，器件使⽤者完全没有必要采⽤热阻法来测算结温。
本⽂主要是介绍电压法测算结温。
也介绍了热阻法测算结温，并提出热阻法存在的问题。
最后简单介绍了⼀些其它测结温的⽅法。
本⽂介绍的电压法测算结温的⽅法，是从⼀般⼯程应⽤的⾓度来讲。
主要是为⼀般的器件⼚商和器件使⽤者提供⾃⼰测试的⽅法。
因此所述的⽅法中，使⽤的⼀些仪器不能与专业的仪器设备⽐较，但精度和准确性不⽤担⼼。
这⽅⾯只要你懂得了物理原理就明⽩了。
关键还是看具体的操作者对测试机构的设计和仪表的选择，以及操作中的精⼼程度。
大功率LED结温方法
大功率LED 结温方法GaN 基白光LED 结温测试方法1. 正向电压法(forward voltage method)原理：初始电压与初始结温符合很强的线性关系KV V T T t j 00-+= 其中T0是作为参考的环境温度,V0是在T0下的初始电压;Tj 和Vt 分别是稳定时的结温和正向电压。
系数K 可以通过测量两组不同的参考温度和电压得到K=(V1-V0) /(T1-T0),也可以通过测量多组参考温度和电压作线性拟合得到。
K 值测量测量时将LED 放置在控温烤箱中，施加小电流（10mA ），分别在不同的烤箱温度下（Ta1,Ta2）,每个温度阶段恒温30min （样品为1WLED 加散热片，如果未加散热片可另外考虑），使得结温与环境温度一致，测试过程中保持电流恒定。
测量LED 的正向电压（Vf1,Vf2）,这时可近似认为；K=(V1-V0) /(Ta2-Ta1)Rth 为热阻Rth=（Tj-Tb ）/PTb 为测试得到的基板底部的温度，P 为L E D 的耗散功率,Tb 用热电偶实时测量LED 基板底部的温度。
2. 管脚法(Pin method)原理：管脚温度法是利用LED 器件的热输运性质,通过测量管脚温度和芯片耗散的热功率,以及热阻系数来确定结温p j j p j R P T T -+=*其中Tp 是管脚温度,Tj 是结温;Pj 是LED 芯片耗散的热功率;R Θj-p 是从结到管脚的热阻系数,可以由厂家给出,或者由实验确定,本实验中结合电压法测量来确定热阻系数文献中提到热阻系数由电压法测得，而电压法又会存在误差，所以此方法误差会较大一些。
3. 蓝白法（non-contactmethod for determining junction temperatur ） 原理：利用白光LED 的发光光谱分布(SPD)来测量结温,最大的优点是不需要破坏器件的整体性,是一种非接触的结温测量方法。
蓝白比R 与结温都有较好的线性关系,可通过测量光谱算得R 值,然后用下面的换 算公式得到结温：rj K R R T T 00-+= 其中T0为参考结温,Tj 是要测量的结温;R0和R 分别是结温为T0和Tj 时的蓝白比;Kr 是比例系数,可以通过测量两组不同的参考结温和蓝白比得到Kr=(R0-R1) /(T0-T1),也可以通过测量多组已知结温情况下的蓝白比作线性拟合。
LED模块的结温及热阻测量
LED模块的结温及热阻测量韩冰发光二极管（LED）由于其亮度高、功耗低、寿命长、可靠性高、易驱动、节能、环保等特点，已被广泛应用于交通、广告和仪器仪表的显示中，现已在特殊照明中获得应用，并将成为普通照明中的主要光源。
目前世界上生产和使用LED 呈现急速上升的趋势，但是LED 存在发热现象，随着LED的工作时间和工作电流的增加，其发光强度和光通量会下降，寿命降低，对白光还会导致激发效率的下降，这主要是由于LED结温升高导致的。
热是从温度高处向温度低处散热。
LED主要的散热路径是：LED芯片→基座→铝基板→散热板→环境空气。
若LED的结温为T J，散热板底部的温度为T c（这里我只讨论LED从芯片到散热板底部之间的热阻关系），所以可以把热阻关系公式写成：RJC =（TJ－TC）/（PD-PI） 热阻的单位是℃/W。
公式里的P I代表输出的光功率，用LED模块的总功率减掉光输出的部分功率，剩余部分就是发热功率，这样计算可以更准确的反映基板、散热板材料本身的热阻特性。
可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。
LED热阻的测量是跟LED的结温测量紧密相关的，如果无法准确测量LED的结温，也就没办法真正准确测量到LED的热阻。
首先我介绍一下，第一个也是最关键的步骤---结温的测量，因为LED光源与其他传统光源差别很大，LED结温的高低直接影响了LED的特性，所以准确测量LED的结温很重要。
但是在测量LED结温的时候不能破坏它模块的结构，只能通过间接方法测量。
现在国际上公认能够准确得到LED结温的方法就是利用LED的结温与它的PN结压降有直接线性关系，利用这一线性关系曲线，通过直接测量LED的压降从而间接的得到LED的结温。
图1图1是我公司自己研制的一套测量LED结温与压降相关曲线的设备。
我们利用硅油不导电且导热性能优良的特点，在油缸中装入硅油，把被测的LED模块用四端法接入电路后浸没在硅油内。
led灯珠结温测试方法
led灯珠结温测试方法英文回答：LED Die Temperature Measurement Methods.Determining the junction temperature (Tj) of an LED die is crucial for ensuring optimal performance and reliability. Accurate Tj measurement enables the assessment of thermal management effectiveness and the prediction of LED lifespan. Several methods are commonly used to measure LED die temperature:1. Forward Voltage (Vf) Method.The forward voltage (Vf) of an LED decreases linearly with increasing temperature. By measuring the Vf at a known temperature and then at the operating temperature, the temperature difference can be calculated using thefollowing equation:ΔTj = (ΔVf / αVf) (1 + αTj)。
where:ΔTj is the temperature difference.ΔVf is the difference in forward voltage.αVf is the temperature coefficient of forward voltage.αTj is the temperature coefficient of Vf at the reference temperature.This method is simple and non-invasive but requires accurate knowledge of αVf and αTj.2. Light Output Power (LOP) Method.The light output power (LOP) of an LED decreases exponentially with increasing temperature. By measuring the LOP at a known temperature and then at the operating temperature, the temperature difference can be calculated:ΔTj = (1 / β) ln(LOP1 / LOP2)。
LED结温测算法
5．如何具体测算LED的结温。
现在就以Cree公司的XLamp7090XR-E为例。
来说明如何具体测算LED的结温。
要求已经把LED安装到散热器里，并且是采用恒流驱动器作为电源。
同时要把连接到LED去的两根线引出来。
在通电以前就把电压表连接到输出端（LED 的正极和负极），然后接通电源，趁LED还没有热起来之前，马上读出电压表的读数，也就是相当于V1的值，然后等至少1小时，等它已经达到热平衡，再测一次，LED两端的电压，相当于V2。
把这两个值相减，得出其差值。
再被4mV 去除一下，就可以得出结温了。
实际上，LED多半为很多个串联再并联，这也不要紧，这时的电压差值是由很多串联的LED所共同贡献，所以要把这个电压差值除以所串联的LED数目再去除以4mV，就可以得到其结温。
例如，LED是10串2并，第一次测得的电压为33V，第二次热平衡后测得的电压为30V，电压差为3V。
这个数字先要除以所串联的LED个数（10个），得到0.3V，再除以4mV，可以得到75度。
假定开机前的环境温度是20度，那么这时候的结温就应当是95度。
采用这种方法得出的结温，肯定要比用热电偶测量散热器的温度再来推算其结温要准确很多。
6．如何来预测这个灯具的寿命。
从结温来推测寿命好像应该很简单，只要查一下图1的曲线，就可以知道对应于95度结温时的寿命就可以得到LED的寿命为2万小时了。
但是，这种方法用于室内的LED灯具还有一定的可信度，如果应用到室外的LED灯具，尤其是大功率LED路灯，那里还有很多不确定因素。
最大的问题是LED路灯的散热器的散热效率的随时间而降低。
这是由于尘土、鸟屎的积累而使得其散热效率降低。
也还因为室外有很强烈的紫外线，也会使LED的寿命降低。
紫外线主要是对封装的环氧树脂的老化起很大作用，假如采用硅胶，可以有所改善。
紫外线对荧光粉的老化也有一些坏作用，但不是很严重。
不过，这种方法用来相对比较两种散热器的散热效果是比较有效的。
LED结温
测量LED结温电压法还是热阻法夏俊峰 2012.03.29这里先要说明，本文的目的不是搞纯理论研究，是从实际应用出发，来为大家讲解可行的方法。
现在很多人都认识到，做LED应用产品，不能通过灯具外壳的温度来判断LED芯片的具体温度了，重要的还是要得到LED芯片的具体温度。
但是如何得到LED的结温值呢？测量PN结的结温，是不可能用温度探头直接去测量的。
现在为一般人所知道的可以采用的方法有：热阻法、电压法、红外成像法。
红外成像法对我们一般人来讲，是不能做的，买不起那个设备或没有必要为几次测量去买。
即使采用红外成像法测试，也不见得就是准确的。
因为，虽然可以对不同的温度成像，但要得到准确的具体温度值，还涉及到很多方面，最重要的就是材料的表面发射率问题。
如果发射率设定的不准确，得到的温度值就不准确。
在LED芯片表面，其材料也不是一种，因此，测量时按那个材料来设定发射率值，这就是问题。
而且，它测量的是芯片表面的温度，是否能说是PN结的温度？也只能是近似而已。
那么，对我们这些搞产品应用的来讲，要想测量结温，以我们可能有的装备来讲，只能采用电压法和热阻法。
但是，正如本文题目，是用电压法还是用热阻法？至于采用哪种方法，首先要搞清它们测量的原理。
电压法测量结温的原理这部分的内容，我在“LED电压与结温关系的测量与应用问题”【1】一文中有讲，这里为了大家方便，将主要内容再做叙述。
根据半导体理论，PN结的电压与电流、温度有如下关系：V＝T·k（lnC·I+Eg）/q （1）式中：C＝A q L p Nc Nv /τp N D（C中的参数，都是材料参数，一旦芯片制造完成，就不变了，我们在这里对它们不必深究，有兴趣的去学习半导体物理和晶体管原理方面的内容。
）（1）式中，PN结电压不仅是温度的函数，还是电流的函数。
而且跟电流的关系不是线性的，而是对数关系。
这一点非常重要！这一点说明，在不同工作电流下，电压－温度关系是不同的。
LED结温(Tj)温度测量概述
LED结温(Tj)温度测量概述摘要:本文介绍了一种LED结温(Tj)温度测量的一些基础知识和一种简单的测量方法。
通过该方法测量得到的数据,对汽车灯具中LED散热设计有一定的参考作用。
关键词:LED(结温) LED的热电阻LED的工作功率因LED具有寿命长、耐候性能好等优点,近年来在汽车照明领域中得到了广泛的应用。
虽然LED具有很多优点,但是其作为光电器件,在工作过程中却只有约15%～25的电能可以转换成光能,其余的电能基本都会被转化成热能。
因此,如果采用LED作为光源运用于车灯照明中时,LED的结温(Tj)测量就成为了散热设计的关键点。
1 LED结温(Tj)的含义:LED的结温(Tj)简单来讲,就是LED本身的温升极限,英文含义为:Temperature Junction。
LED的基本结构是一个半导体的PN结,由于LED的芯片均具有很小的尺寸。
因此一般把LED芯片的温度视之为结温。
LED的结温高低直接影响到其发光效率,器件寿命,可靠性,发射波长等,保持LED结温在允许的范围内,是LED能否发挥出应有机能的关键一环。
2 影响LED结温(Tj)上升的主要因素:2.1 发光效率是导致LED结温升高的主要原因以目前的LED生产水平,虽然通过采用先进的生产材料和器件加工工艺,已经尽可能的将LED绝大多数的输入电能转化成了光辐射能；但是由于LED的芯片材质往往会比周围的介质相比具有大得多的折射系数,致使芯片内部产生的大部分光子无法顺利的溢出,而在芯片与介质面产生全反射,返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收,并以晶格振动的形式变成热,导致结温升高。
2.2 器件不良的电极结构也是造成结温升高的原因之一结温区域的材料、导电银胶等均存在着一定的电阻值,这些电阻相互叠加,构成了LED器件的串联电阻。
当电流通过PN结时,同时也会流经这些产生电阻的区域,从而产生热,导致芯片的温度或结温上升。
2.3 LED的散热能力是决定结温工地的另一个关键因素由于环氧树脂是一种低导热材料,因此,PN结产生的热量很难通过透明的环氧树脂向上散发到环境中去。
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LED是个光电器件，其工作过程中只有15%～25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。
在大功率LED中，散热是个大问题。
例如，1个10W 白光LED若其光电转换效率为20%，则有8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（TJ）上升超过最大允许温度时（一般是150℃），大功率LED会因过热而损坏。
因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。
另外，一般功率器件（如电源IC）的散热计算中，只要结温小于最大允许结温温度（一般是125℃）就可以了。
但在大功率LED散热设计中，其结温TJ要求比125℃低得多。
其原因是TJ对LED的出光率及寿命有较大影响：TJ越高会使LED的出光率越低，寿命越短。
K2系列白光LED的结温TJ与相对出光率的关系。
在TJ=25℃时，相对出光率为1；
TJ=70℃时相对出光率降为0.9；TJ=115℃时，则降到0.8了。
：TJ=50℃时，寿命为90000小时；TJ=80℃时，寿命降到34000小时；TJ=115℃时，其寿命只有13300小时了。
TJ在散热设计中要提出最大允许结温值TJmax,实际的结温值TJ应小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax。
大功率LED的散热路径.
大功率LED在结构设计上是十分重视散热的。
图2是Lumiled公司K2系列的内部结构、图3是NICHIA公司NCCW022的内部结构。
从这两图可以看出：在管芯下面有一个尺寸较大的金属散热垫，它能使管芯的热量通过散热垫传到外面去。
大功率LED是焊在印制板（PCB）上的，如图4所示。
散热垫的底面与PCB的敷铜面焊在一起，以较大的敷铜层作散热面。
为提高散热效率，采用双层敷铜层的PCB，其正反面图形如图5所示。
这是一种最简单的散热结构。
热是从温度高处向温度低处散热。
大功率LED主要的散热路径是：管芯→散热垫→印制板敷铜层→印制板→环境空气。
若LED的结温为TJ，环境空气的温度为TA,散热垫底部的温度为Tc（TJ＞Tc＞TA），散热路径如图6所示。
在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。
若管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC（LED的热阻）、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA,则从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为：
RJA=RJC+RCB+RBA
各热阻的单位是℃/W。
可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。
如果LED的散热垫与PCB的敷铜层采用回流焊焊在一起，则RCB=0，则上式可写成：
RJA=RJC+RBA
散热的计算公式
若结温为TJ、环境温度为TA、LED的功耗为PD,则总热阻RJA与TJ、TA及PD的关系为：
RJA=（TJ－TA）/PD (1)
式中PD的单位是W。
PD与LED的正向压降VF及LED的正向电流IF的关系为：
PD=VF×IF (2)
如果已测出LED散热垫的温度TC，则(1)式可写成：
RJA=(TJ－TC)/PD+(TC－TA)/PD
则RJC=(TJ－TC)/PD (3)
RBA=(TC－TC)/PD (4)
在散热计算中，当选择了大功率LED后，从数据资料中可找到其RJC值；当确定LED 的正向电流IF后，根据LED的VF可计算出PD；若已测出TC的温度，则按（3）式可求出TJ来。
在测TC前，先要做一个实验板（选择某种PCB、确定一定的面积）、焊上LED、输入IF电流，等稳定后，用K型热电偶点温度计测LED的散热垫温度TC。
在（4）式中，TC及TA可以测出，PD可以求出，则RBA值可以计算出来。
若计算出TJ来，代入（1）式可求出RJA。
这种通过试验、计算出TJ方法是基于用某种PCB及一定散热面积。
如果计算出来的TJ 小于要求（或等于）TJmax，则可认为选择的PCB及面积合适；若计算来的TJ大于要求的TJmax，则要更换散热性能更好的PCB，或者增加PCB的散热面积。
另外，若选择的LED的RJC值太大，在设计上也可以更换性能上更好并且RJC值更小的大功率LED，使满足计算出来的TJ≤TJmax。
这一点在计算举例中说明。
各种不同的PCB
目前应用与大功率LED作散热的PCB有三种：普通双面敷铜板（FR4）、铝合金基敷铜板（MCPCB）、柔性薄膜PCB用胶粘在铝合金板上的PCB。
MCPCB的结构如图7所示。
各层的厚度尺寸如表3所示。
其散热效果与铜层及金属层厚如度尺寸及绝缘介质的导热性有关。
一般采用35μm铜层及1.5mm铝合金的MCPCB。
柔*PCB粘在铝合金板上的结构如图8所示。
一般采用的各层厚度尺寸如表4所示。
1～3W星状LED采用此结构。
采用高导热性介质的MCPCB有最好的散热性能，但价格较贵。
计算举例
这里采用了NICHIA公司的测量TC的实例中取部分数据作为计算举例。
已知条件如下：
LED：3W白光LED、型号MCCW022、RJC=16℃/W。
K型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上。
PCB试验板：双层敷铜板（40×40mm）、t=1.6mm、焊接面铜层面积1180mm2背面铜层面积1600mm2。
LED工作状态：IF=500mA、VF = 3.97V。
用K型热电偶点温度计测TC，TC=71℃。
测试时环境温度TA = 25℃.
1.TJ计算
TJ=RJC×PD+TC=RJC（IF×VF）+TC
TJ=16℃/W（500mA×3.97V）
+71℃=103℃
2.RBA计算
RJA=（TC－TA）/PD
=（71℃－25℃）/1.99W
=23.1℃/W
3.RJA计算
RJA=RJC+RBA
=16℃/W+23.1℃/W
=39.1℃/W
如果设计的TJmax=90℃，则按上述条件计算出来的TJ不能满足设计要求，需要改换散热更好的PCB或增大散热面积，并再一次试验及计算，直到满足TJ≤TJmax为止。
另外一种方法是，在采用的LED的RJC值太大时，若更换新型同类产品RJC=9℃
/W(IF=500mA时VF=3.65V)，其他条件不变，TJ计算为：
TJ=9℃/W（500mA×3.65V）+71℃
=87.4℃
上式计算中71℃有一些误差，应焊上新的9℃/W的LED重新测TC（测出的值比71℃略小）。
这对计算影响不大。
采用了9℃/W的LED后不用改变PCB材质及面积，其TJ符合设计的要求。
PCB背面加散热片
若计算出来的TJ比设计要求的TJmax大得多，而且在结构上又不允许增加面积时，可考虑将PCB背面粘在"∪"形的铝型材上（或铝板冲压件上），或粘在散热片上，如图10所示。
这两种方法是在多个大功率LED的灯具设计中常用的。
例如，上述计算举例中，在计算出TJ=103℃的PCB背后粘贴一个10℃/W的散热片，其TJ降到80℃左右。
这里要说明的是，上述TC是在室温条件下测得的（室温一般15～30℃）。
若LED灯使用的环境温度TA大于室温时，则实际的TJ要比在室温测量后计算的TJ要高，所以在设计时要考虑这个因素。
若测试时在恒温箱中进行，其温度调到使用时最高环境温度，为最佳。
另外，PCB是水平安装还是垂直安装，其散热条件不同，对测TC有一定影响，灯具的外壳材料、尺寸及有无散热孔对散热也有影响。
因此，在设计时要留有余地。